[发明专利]高强度钢板的摩擦搅拌接合方法

说明书

本发明提供一种摩擦搅拌接合方法。在摩擦搅拌接合方法中，作为钢板，使用高强度焊接结构用钢，该高强度焊接结构用钢的成分组分调整为规定的范围，同时由下记式子(1)计算出的Pcm值满足0.18≤Pcm≤0.30，并且余部由Fe及不可避免的杂质构成，摩擦搅拌的接合条件在如下范围：工具的转速：100rpm～1000rpm、工具的转矩：50N·m～500N·m以及接合速度：10mm/min～1000mm/min，而且由下记式子(2)定义的HI在1.5～20的范围内，并且与Pcm的关系满足下记式子(3)的范围。Pcm(％)＝C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B……(1)HI(kJ/mm)＝(6.28×RT×RS)/TS/1000……(2)1.5×10⁹×(Pcm)^13.8≤HI≤2.1×10⁸×(Pcm)^10_.6……(3)。

技术领域

本发明涉及一种如下摩擦搅拌接合方法：将旋转工具插入被加工材料的接合部，并且使旋转工具一边旋转一边移动，当被加工材料因与该旋转工具的摩擦热而软化时，使用旋转工具搅拌该软化部而产生塑性流动，由此，不添加填充金属地将被加工材料接合起来。

特别是，是一种有利于消除在将该摩擦搅拌接合方法应用在高强度结构用钢的接合作业中的情况下所令人担忧的、搅拌部内部的加热状态、塑性流动状态的不均匀性，在实现充分的强度的同时，实现机械特性尤其是韧性的均匀化。

背景技术

作为摩擦焊接法，在专利文献1中公开了如下技术：通过使一对金属材料双方或者一方旋转，在金属材料上产生摩擦热而使其软化，通过搅拌该软化的部位而引起塑性流动，由此将金属材料接合起来。

然而，由于该技术是使作为接合对象的金属材料旋转的技术，因此在所接合的金属材料的形状、尺寸方面存在限制。

另一方面，在专利文献2中公开了如下技术：将由比被加工材料实质上更硬的材质构成的工具插入被加工材料的接合部，通过使该工具一边旋转一边移动，利用在工具与被加工材料之间产生的热和塑性流动，将被加工材料沿着长度方向连续地接合起来。

专利文献2所记载的接合法被称为摩擦焊接法、摩擦接合法、摩擦搅拌焊接法以及摩擦搅拌接合法等，以下，将这些方法统称为摩擦搅拌接合法。

专利文献1所记载的摩擦焊接法是一种使被加工材料彼此旋转，并且利用被加工材料彼此之间的摩擦热进行焊接的方法。另一方面，专利文献2公开的摩擦搅拌接合法是在将接合部件固定的状态下，能够通过使工具一边旋转一边移动来进行接合的方法。因此，对于焊接方向而言，存在实质上能够将无限长的部件沿着其长度方向连续地接合的优点。此外，因为利用由旋转工具和接合部件的摩擦热引起的金属的塑性流动来进行固态接合，所以能够不使接合部熔融地进行接合。而且，存在以下大量优点：因为加热温度低，所以接合后的变形小；另外，因为接合部未熔融，所以缺陷少；而且，无需填充金属等。

摩擦搅拌接合法作为以铝合金、镁合金为代表的低熔点金属材料的接合法，能够在飞机、轮船、火车以及汽车等领域广泛使用。其理由是：这些低熔点金属材料利用现有的电弧焊接法很难获得接合部的满意特性，而通过使用摩擦搅拌接合法能够提高生产性，并且能够获得高品质的接合部。

另一方面，对于作为建筑物、船舶、重型机械、管道以及汽车等结构物的原材料大量使用的低合金焊接结构用钢的摩擦搅拌接合法的应用，因为在施工性和接头特性方面存在问题，与低熔点金属材料相比未能普及。

在低合金焊接结构用钢的摩擦搅拌接合中，如专利文献3、专利文献4所记载的那样，其现状是：作为旋转工具使用聚晶立方氮化硼(PCBN)、氮化硅(SiN₄)等高耐磨耗性材料。

但是，由于这些陶瓷较脆，为了防止旋转工具的破损，要实施接合的钢板的板厚、其施工条件受到明显的限制。